Биомасса земли в тоннах. Что такое биогаз и биомасса

Научно-технический прогресс, развитие сельского хозяйства, увеличение народонаселения на Земле в настоящее время оказывают огромное влияние на природу. Это сложная, глобальная проблема, волнующая все человечество. Освоение космоса создает возможности для исследования природных богатств Земли и влияния на нее деятельности человека. Вредные отходы промышленности, транспорта отрицательно сказываются на живых организмах и загрязняют воздух, воду и почву. Все это, в свою очередь, действует на круговорот веществ и энергии в природе. Для того чтобы всесторонне, с научной точки зрения, изучить все вредные изменения в природе, необходимо знать закономерности жизни на всей планете. При изучении биологии в предшествующих классах вы познакомились с живыми организмами на всех уровнях их развития. Теперь вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на Земле - биосферным.

Биосфера и ее границы. В настоящее время ученые в составе планеты различают следующие геологические оболочки: литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Биосфера охватывает оболочку, населенную живыми организмами. Живые организмы и окружающая их среда в биосфере тесно взаимосвязаны и зависимы друг от друга. В целом биосфера-это непрерывно меняющаяся, развивающаяся единая открытая система.

В последнее время согласно научным данным существует мнение, что биосфера возникла со времен появления планеты Земля. Ученые пришли к выводу, что жизнь на Земле появилась 3,8 млрд. лет назад. Это мнение впервые поддержал известный ученый, основатель учения о биосфере В. И. Вернадский (1863-1945).

Главную роль в возникновении биосферы на планете играют живые организмы, и все закономерности в природе осуществляются благодаря их деятельности. Совокупность всех живых организмов на Земле составляет биомассу планеты.

Жизнедеятельность живых организмов изменила и изменяет земную кору (литосферу), гидросферу, атмосферу. Нынешнее состояние биосферы напрямую связано с деятельностью живых организмов. Например, процентное соотношение газового состава атмосферы формировалось постепенно в результате жизнедеятельности организмов. Зеленые растения за миллиарды лет очистили атмосферу от углекислого газа, обогатили ее кислородом и способствовали отложению торфа, каменного угля. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера жизни - биосфера (греч. bios - "жизнь", spharia - "шар"). Впервые этот термин был введен в науку французским ученым Ж. Б. Ламарком в 1802 г.

По мере накопления научных данных о биосфере они стали широко использоваться в различных науках естествознания. Австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г. широко применил термин "биосфера" в геологии. Первые научные представления о биосфере встречаются и в трудах известного русского ученого В. В. Докучаева.

Основу учения о биосфере создал известный русский ученый В. И. Вернадский - основоположник новой науки биохимии, связывающей химию Земли с химией жизни, установил роль живых организмов (или живого вещества) в преобразовании земной поверхности. В настоящее время ученые всего мира полностью признают учение В. И. Вернадского о биосфере.

Выдающийся русский ученый. Основоположник биохимии, кристаллографии, минералогии и других наук. Заложил основу учения о биосфере. Основал теорию о главной роли живых организмов в биохимических процессах. Основатель учения о ноосфере.

Геосферы планеты Земля. Литосфера (греч. lithos - "камень") - внешняя твердая оболочка суши земного шара. Она состоит из верхнего слоя - осадочных пород с гранитом и нижнего - базальта. Слои расположены неравномерно. В некоторых областях верхний слой литосферы превратился в почвенный, образовавшийся в результате деятельности живых организмов и их остатков. Этот слой в научной литературе называется педосфера (греч. pedon - "почва"). В слое литосферы живые организмы встречаются на глубине 3500-7000 м в нефтяных водных слоях.

Океаны и моря составляют 70,1% земного шара. В совокупности их называют Мировым океаном, они и составляют гидросферу. Глубина океана в среднем - 3,8 км, а самые глубокие места достигают 10 960 м (Марианская впадина). Живые организмы во всех слоях гидросферы распределены неравномерно. Самой благоприятной средой для живых организмов считается водная поверхность глубиной до 200 м.

Атмосфера - воздушная оболочка Земли. Вверх до 100 км над Землей простирается атмосфера. Нижний слой атмосферы, ближе к Земле, называется тропосферой (греч. tropos - "перемена"), высота - 15 км. Над тропосферой слой до 100 км называетсястратосферой (лат. stratum - "слой"). На высоте 20-50 км атмосферы находится озоновый слой, защищающий живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей (схема 10).

Схема 10

Озоновый слой имеет важнейшее значение для жизни на Земле. В последнее время много говорят о том, что под действием различных остатков химических веществ образовались дыры в озоновом слое. Озоновый слой защищает все живые организмы от космических излучений и ультрафиолетовых лучей Солнца. Биосфера состоит из нескольких слоев живых организмов, распространенных на планете Земля. Микроорганизмы, грибы, растения, животные (человек) в биосфере называются живыми организмами.

Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов (рис. 83).

Рис. 83. Пределы жизни в биосфере

Верхний предел жизни биосферы ограничивается интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, а нижний - высокой температурой недр (свыше 100°С). В верхней границе биосферы распространены только низшие организмы - бактерии и грибы.

Масса живых организмов (популяций, видов, природных сообществ), выражающаяся соотношением единицы веса на единицу площади или объема, называется биомассой.

Наибольшая концентрация биомассы живых организмов наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, литосферы и гидросферы. В этих местах наиболее благоприятные условия для жизни - температура, влажность, содержание кислорода и химические элементы. Самое широкое распространение живых организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал "пленками жизни". К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы непосредственно связано с жизнедеятельностью зеленых растений.

Химический состав всех живых организмов значительно отличается от химического состава атмосферы и литосферы. Химический состав живых организмов соответствует химическому составу гидросферы. В составе гидросферы чаще встречаются атомы водорода и кислорода. В составе живых организмов объем водорода, кислорода, углерода, кальция и азота значительно выше. В составе живых организмов встречается около 70 элементов таблицы Менделеева. По словам В. И. Вернадского, живые организмы составляют самую активную часть мировой материи. Живые организмы осуществляют сложные геохимические процессы в биосфере, подвергают различным изменениям слой земного шара.

Основным свойством живых организмов является способность к воспроизводству - размножение и рост, распространение и образование своей биомассы. Главная планетарная функция организмов - накопление солнечной энергии и использование ее в геохимических процессах биосферы.

В. И. Вернадский высоко оценил роль живых организмов в природе. "Живое вещество - совокупность организмов - распространяется по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде. Это движение осуществляется путем размножения организмов..." Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от неживой материи.

Основную биомассу животных на суше составляют насекомые в результате их интенсивного размножения.

В водной среде микроорганизмы размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. В результате жизнедеятельности микроорганизмов биосферы проходят процессы окисления и восстановления химических элементов. Например, можно назвать бактерии, накапливающие азот, серу, железо, марганец и др.

В результате деятельности микроорганизмов, грибов и других животных разлагаются органические остатки. Большую роль в достижении современного уровня кислорода в составе атмосферы играли зеленые растения. Озоновый слой в верхней части тропосферы также возник в результате деятельности живых организмов.

Живые организмы сыграли значительную роль в перемещении атомов с одного места на другое благодаря большому и малому круговоротам в биосфере. Благодаря круговороту веществ и энергии живых организмов биосфера способна к саморегуляции. По данным В. И. Вернадского, общая биомасса живых организмов определяется в 2,4232 1012 т (в виде сухого вещества). Из них 2,42 1012 т встречается на суше, а 0,0032 1012 - в Мировом океане. Основную часть биомассы на суше составляют растения, т. е. 99,2%, а 0,8% - животные (табл. 10).

В Мировом океане на долю животных приходится 93,7% биомассы, а остальные 6,3% биомассы - на долю растений. Общая биомасса всех живых организмов суши в 800 раз больше, чем биомасса организмов океана, около 90% биомассы суши составляют лесные массивы. По этим данным можно представить, насколько важны тропические леса планеты для человечества. В настоящее время интенсивность вырубки леса составляет 11 млн. га в год. Главная задача, стоящая перед человечеством, - это защита и сохранение тропических лесов для обеспечения устойчивого равновесия количества кислорода на нашей планете.

Биосфера. Литосфера. Педосфера. Гидросфера. Атмосфера. Биомасса. Тропосфера. Стратосфера. Озоновый слой.

1. Область распространения жизни на Земле - биосфера. В ее состав входят оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера.

2.Основоположником учения о биосфере является русский ученый В. И. Вернадский.

3.Жизнь в биосфере связана непосредственно с круговоротом веществ и энергии в живых организмах.

4.В атмосфере на высоте 20-50 км есть озоновый слой, защищающий живых организмов от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей Солнца.

1.Что означает понятие биосфера1

2.Из каких сфер состоит земной шар?

3.В каких местах биосферы больше всего сосредоточены живые организмы?

1.Дайте характеристику литосферы как геологического слоя.

2.Какие слои различают в атмосфере?

3.На какой высоте расположен озоновый слой и каково его значение для жизни?

1.Что означает понятие биомасса?

2.Дайте характеристику гидросферы как геологического слоя.

3.Дайте характеристику биомассы суши и Мирового океана.

Составьте характеристику оболочек биосферы и их особенностей в виде таблицы.

Биомасс а - Cуммарная масса особей вида, группы видов или сообщества организмов, выражаемая обычно в единицах массы сухого или сырого вещества, отнесённых к единицам площади или объёма любого местообитания (кг/га, г/м2, г/м3, кг/м3 и др.).

Орг-мы конт-ой части: Зелен. растения - 2400 млрд, тонн (99,2%) 0,2 6,3. Жив- е и микроорганизмы - 20 млрд тонн (0,8%) Орг. океанов: Зеленые растения - 0,2 млрд. тонн (6,3%) животные и микроорганизмы - 3 млрд тонн (93,7%)

Люди как млекопитающие дают около 350 миллионов тонн биомассы в живом весе или около 100 миллионов тонн в пересчете на сухую биомассу - пренебрежимо малое количество в сравнении со всей биомассой Земли.

Таким образом , Большая часть биомассы Земли сосредоточена в лесах Земли. На суше преобладает масса растений, в океанах масса животных и микроорганизмов. Однако скорость прироста биомассы (оборот) намного больше в океанах.

Биомасса поверхности суши – это все живые организмы, обитающие в наземно-воздушной среде на поверхности Земли.

Плотность жизни на континентах зональна, хотя и с многочисленными аномалиями, связанными с местными природными условиями (так, в пустынях или в высокогорьях она значительно меньше, а в местах с благоприятными условиями – больше, чем зональная). Самая высокая она на экваторе, а по мере приближения к полюсам уменьшается, что связано с низкими температурами. Наибольшая плотность и многообразие жизни отмечены во влажных тропических лесах. Растительные и животные организмы, находясь во взаимосвязи с неорганической средой, включаются в непрерывный круговорот веществ и энергии. Наиболее высока Биомасса лесов (500 т/га и выше в тропических лесах, около 300 т/га в широколиственных лесах зон умеренного климата). Среди питающихся за счёт растений гетеротрофных организмовнаибольшей Биомасса обладают микроорганизмы - бактерии, грибы, актиномицеты и др.; их Биомасса в продуктивных лесах достигает нескольких т/га.

Биомасса почвы – это совокупность живых организмов, обитающих в почве. Они играют важную роль в почвообразовании. В почве живет огромное количество бактерий (до 500 т на 1 га), в ее поверхностных слоях распространены зеленые водоросли и цианобактерии (иногда их называют синезелеными водорослями). Толща почвы пронизана корнями растений, грибами. Она является средой обитания для многих животных: инфузорий, насекомых, млекопитающих и др. Большая часть общей Биомассы животных в поясе умеренного климата приходится на почвенную фауну (дождевые черви, личинки насекомых, нематоды, многоножки, клещи и др.). В лесной зоне она составляет сотни кг/га, главным образом за счёт дождевых червей (300-900 кг/га). Средняя Биомасса позвоночных животных достигает 20 кг/га и выше, но чаще остаётся в пределах 3-10 кг/га.

Биомасса Мирового океана –совокупность всех живых организмов, населяющих основную часть гидросферы Земли. Как упоминалось, ее биомасса значительно меньше биомассы суши, причем отношение растительных и животных организмов здесь прямо противоположное. В Мировом океане на долю растений приходится лишь 6,3 %, а животные составляют 93,7 %. Это связано с тем, что использование солнечной энергии в воде составляет всего 0,04 %, тогда как на суше – до 1 %.

В водной среде растительные организмы представлены главным образом одноклеточными водорослями фитопланктона. биомасса фитопланктона мала, нередко меньше Биомассы питающихся за его счёт животных. Причиной является интенсивный обмен веществ и фотосинтез одноклеточных водорослей, обеспечивающий высокую скорость прироста фитопланктона. Годовая продукция фитопланктона в наиболее продуктивных водах не уступает годовой продукции лесов, биомасса которых, отнесённая к той же площади поверхности, в тысячи раз больше.

В разных частях биосферы плотность жизни неодинакова: наибольшее количество организмов находится у поверхности литосферы и гидросферы.

Закономерности распространения биомассы в биосфере:

1) скопление биомассы в зонах с наиболее благоприятными условиями среды обитания (на границе разных сред, например атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы); 2) преобладание на Земле биомассы растений (97%) по сравнению с биомассой животных и микроорганизмов (всего 3%); 3) увеличение биомассы, числа видов от полюсов к экватору, наибольшее сгущение ее во влажных тропических лесах; 4) проявление указанной закономерности распространения биомассы на суше, в почве, в Мировом океане. Значительное превышение биомассы суши (в тысячу раз) по сравнению с биомассой Мирового океана.

Оборот биомассы

Интенсивное деление микроскопических клеток фитопланктона, быстрый их рост и кратковременность существования способствуют быстрому обороту фитомассы океана, который в среднем происходит за 1-3 суток, тогда как полное обновление растительности суши осуществляется за 50 лет и более. Поэтому несмотря на небольшую величину фитомассы океана, образуемая ею годовая суммарная продукция сопоставима с продукцией растений суши.

Небольшой вес растений океанов связан с тем, что они за несколько суток поедаются животными и микроорганизмами, но также за несколько суток восстанавливаются.

Ежегодно в биосфере в процессе фотосинтеза образуется около 150 млрд т сухого органического вещества. В континентальной части биосферы самыми продуктивными являются тропические и субтропические леса, в океанической - эстуарии (расширяющиеся в сторону моря устья рек) и рифы, а также зоны подъема глубинных вод - апвеллинга. Низкая продуктивность растений характерна для открытого океана, пустынь и тундры.

Луговые степи дают больший годовой прирост Биомасса , чем хвойные леса: при средней фитомассе 23 т/га годовая продукция их 10 т/га , а у хвойных лесов при фитомассе 200 т/га годовая продукция 6 т/га. Популяции мелких млекопитающих, обладающих большой скоростью роста и размножения, при равной Биомассе дают более высокую продукцию, чем крупные млекопитающие.

Эстуа́рий (- затопляемое устье реки) - однорукавное, воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря.

В настоящее время Закономерности географического распределения и продуцирования Биомассы интенсивно изучаются в связи с решением вопросов рационального использования биологической продуктивности и охраныбиосферыЗемли.

Тем не менее, в пределах биосферы нет абсолютно безжизненных пространств. Даже в самых суровых условиях обитания можно найти бактерии и другие микроорганизмы. В.И. Вернадский высказал идею о "всюдности жизни", живое вещество способно "растекаться" по поверхности планеты; оно с огромной скоростью захватывает все незанятые участки биосферы, что обусловливает "давление жизни" на неживую природу.

Для осуществления любых жизненных процессов необходима энергия. Единственным источником энергии для земных растений является Солнце. Солнечная энергия, попадающая на фотосинтезирующие органы растений, аккумулируется во вновь образующихся органических соединениях. Эта энергия используется продуцентами по-разному. Часть ее тратится на дыхание, т.е. на биологическое окисление, часть запасается в виде вновь возникшей биомассы.

Биомасса – это масса организмов определенной группы или сообщества в целом. Некоторую долю созданной продуцентами биомассы съедают травоядные животные. Хищники потребляют травоядных животных и получают долю энергии. Большая часть энергии, полученная консументами с пищей, тратится на процессы, происходящие в клетках, а также выводится с продуктами жизнедеятельности в окружающую среду. Меньшая часть энергии идет на увеличение массы тала, рост и размножение. Часть биомассы продуцентов, не съеденная животными, отмирает, и с отмершей аккумулированная в ней энергия поступает в почву в виде растительного опада.

Растительный и животный опад (трупы, экскременты) пища редуцентов. Определенное количество энергии запасается в биомассе редуцентов, а часть рассеивается. Таким образом, энергия аккумулируется на уровне продуцентов, проходит через консументы и редуценты, входит в состав органических веществ, почвы, и рассеивается при разрушении ее разнообразных соединений. Через любую экосистемы проходит поток энергии, определенная часть которого используется каждым живым существом.

Биомасса представляет собой концентрацию живого вещества. Вторым важным показателем экосистемы является продуктивность, которая выражается в скорости нарастания биомассы. За счет на Земле создается 98 % органического вещества; 2 % приходится на хемосинтез. Различают валовую первичную продукцию (ВПП), которая представляет собой все органическое вещество экосистемы с затратами на дыхание. Чистая первичная продукция (ЧПП) – это то количество органического вещества, которое остается в экосистеме после затрат на дыхание. Формулой это можно выразить так:

ЧПП = ВПП – затраты на дыхание.

ЧПП очень различается в разных экосистемах. Например, на коралловых рифах она составляет 2500 г/м кв. в год, во влажных тропических лесах – 2300 г/м кв. в год. Коралловые рифы и влажные тропические леса являются самыми продуктивными экосистемами. Наиболее бедными экосистемами являются открытый океан (125 г/м кв. в год) и пустыня (3 г/м кв. в год).

Цепь питания – перенос энергии от его источника через ряд организмов. Все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, поскольку являются объектами питания других организмов. Травоядные животные (потребители первого порядка) поедают растения, первичные хищники (потребители второго порядка) поедают травоядных, вторичные хищники (потребители третьего порядка) поедают хищников помельче.

Таким образом, создаются пищевые цепи из продуцентов и консументов, которые на разных этапах смыкаются с сообществом редуцентов.

Цепи питания представляют собой возможные варианты поедания организмами друг друга. Цепи питания, как правило, состоят из трех звеньев:

Продуценты консументы редуценты неорганические вещества

Приведем несколько примеров пищевых цепей, где для удобства изображения опустим группу редуцентов, представленных бактериями.

В лесу : малина рыжая полевка ушастая сова

В озере : диатомовая дафния карась

Приведенные пищевые цепи конечно являются крайне упрощенными. На практике цепи питания разветвляются и образуют пищевую сеть, так как каждый из консументов не может потреблять в пищу только один вид организмов.

Каждый из уровней питания называется трофическим уровнем. Фактически при поедании организмами друг друга по трофическим уровням переносится энергия. В каждом последующем трофическом звене количество энергии убывает. Это связано с тем, что какое-то количество энергии, поступившей в трофический уровень, всегда будет рассеиваться в виде тепла.

Состояние экосистемы описывается с помощью пирамиды. Экологическая пирамида представляет собой график состояния каждого трофического уровня. Эти графики строятся на основе изменения в каждом последующем трофическом уровне таких показателей как численность на единицу площади; биомассе на единицу площади, энергии. Пирамиды, построенные на основе изменений численности и биомассы могут иметь перевернутый вид, а на основе изменений энергии – никогда.

В классической пирамиде каждое следующее основание меньше предыдущего. При составлении экологической пирамиды в нижних основаниях пирамиды оказываются продуценты, а вверху – консументы.

Согласно исследованиям американского гидробиолога Линдеманна только часть энергии поступает на следующий трофический уровень (закон передачи энергии по цепям питания). Это количество энергии равно 10–20 % от предыдущего. Согласно этому закону в природе не может быть более 3–5 трофических звеньев в одной цепи. Наиболее выгодные с энергетической точки зрения цепи, содержащие 2 – 3 звена.

Пищевые цепи разделяются на два типа:

Цепь выедания – начинается с растений, идет к растительноядным животным, далее к хищникам.
Цепь разложения – начинается от растительных и животных остатков, экскрементов животных, далее мелкие животные и микроорганизмы.
Все типы пищевых цепей всегда существуют в сообществе таким образом, что член одной цепи является также членом другой. Соединения цепей образую пищевую сеть экосистемы. Угнетение или разрушение любого звена экосистемы с неизбежностью отразится на экосистеме в целом.

Биомасса - термин, используемый для описания всего органического вещества, полученного путем фотосинтеза, существующего на поверхности Земли. Он включают в себя всю водную и наземную растительность и деревья, и все отходы живых организмов, такие как твердые бытовые отходы, вещества биологического происхождения (сточные воды), отходы лесного хозяйства, животноводства (навоз), сельскохозяйственные отходы и отдельные виды промышленных отходов. Мировые энергетические рынки полагаются в большой степени на ископаемые виды топлива. Биомасса - единственный энергетический ресурс естественного происхождения, содержащий углерод в количестве, достаточном, чтобы применяться в качестве их замены.

В отличие от ископаемого топлива, биомасса - возобновляемый источник энергии. Требуется относительно короткий период времени, чтобы восстановить энергетический ресурс. Биомасса также - единственный возобновляемый источник энергии, выделяющий углекислый газ при переработке. Однако это компенсируется тем, что биомасса была выращена с помощью поглощения углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Если ресурс биомассы используется устойчиво, то со временем в цикле переработки биомассы не происходит увеличение выброса углерода.

Способы переработки биомассы

Биомасса может быть конвертирована в тепловую энергию, жидкое, твердое или газообразное топливо и другие химические продукты с помощью различных процессов переработки. Сегодня значительная часть электроэнергии из биомассы вырабатывается путем прямого сжигания. При развитии технологий повышение эффективности будет достигаться за счет сжигания смеси биомассы и угля в котлах и внедрения высокоэффективной газификации, систем комбинированного цикла, систем топливных элементов, а также модульных систем.

Известные биоэнергетические технологии: непосредственное сжигание, совместное сжигание, газификация, пиролиз, анаэробное брожение и ферментация.

1. Прямое сжигание

Это, пожалуй, самый простой способ получения энергии из биомассы. Промышленные объекты способны сжечь много видов топлива на основе биомассы, в том числе дрова, сельскохозяйственные отходы, древесную целлюлозу, твердые бытовые отходы. При сжигании в котлах производится пар, который вращает турбину. Последняя приводит во вращение ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию. Из-за потенциального накопления золы, которая засоряет котел, снижая его эффективность и увеличивая затраты, только определенные типы материалов биомассы используются для прямого сжигания.

2. Газификация

Газификация - процесс, воздействия на твердое топливо высокой температуры при ограниченном доступе кислорода для получения газообразного топлива. Таким способом получается смесь газов, таких как окись углерода, углекислый газ, азот, водород и метан. После газ используется для привода газовой турбины. Газификация имеет ряд преимуществ над сжиганием твердого топлива. Важный плюс технологии - один из получаемых газов - метан. Он может быть обработан так же, как природный газ, и использоваться для тех же целей.

Преимущество заключается в том, что при газификации производится топливо без примесей. Следовательно, его сжигание вызывает меньше проблем загрязнения. При определенных условиях можно производить синтез-газ - смесь угарного газа и водорода, который может являться сырьем для производства углеводород (например, метана и метанола) для замены ископаемых видов топлива. Сам водород также потенциальное экологически чистое топливо, которое предположительно может заменить нефть и нефтепродукты в обозримом будущем.

3. Пиролиз

В своей простейшей форме пиролиз представляет собой нагревание биомассы с отводом летучих веществ, в результате чего образуется древесный уголь. Этот процесс преобразует исходный материал в более энергоемкий, так как древесный уголь весит в два раза меньше исходной биомассы, но содержит такое же количество энергии, что делает топливо более транспортабельным. Уголь также горит при значительно более высокой температуре, чем исходная биомасса. Это делает его более полезным для производственных процессов. Более сложные методы пиролиза разработаны недавно для сбора летучих веществ, которые в противном случае теряются в системе. Собранные летучие вещества производят газ, который богат водородом и окисью углерода. Эти соединения синтезируются в метан, метанол и другие углеводороды.

Быстрый пиролиз используется для производства бионефти - горючего топлива. Тепло используется для химического преобразования биомассы в синтетическую нефть, которую легче хранить и транспортировать, чем твердые материалы биомассы. Затем ее сжигают для производства электричества. Пиролиз может также преобразовывать биомассу в феноловое масло - химическое вещество, используемое для изготовления древесных клеев, литьевых пластмасс и изоляционной пены.

4. Анаэробное брожение

Анаэробное брожение биомассы осуществляется за счет анаэробных бактерий. Эти микроорганизмы обычно живут на дне болот или в других местах, где нет воздуха, потребляя мертвое органическое вещество с образованием метана и водорода. Мы можем использовать эти бактерии для работы на нас. Подавая органические вещества, такие как навоз животных или сточные воды, в резервуары, называемые варочными, и добавляя туда бактерий, мы можем собирать выделившейся газ, чтобы использовать его в качестве источника энергии. Этот процесс - очень эффективное средство извлечения полезной электроэнергии из биомассы. Как правило, до двух третей энергии топлива из навоза животных можно восстановить.

Другой способ связан со сбором метана из мусорных свалок. Большая часть бытовых отходов биомассы, таких как пищевые отходы или обрезки травы, собираются на местных свалках. В течение нескольких десятилетий анаэробные бактерии в нижних слоях таких свалок разлагают органическое вещество, выделяя метан. Газ может быть извлечен и использован путем установки верхнего упора из непроницаемого слоя глины и установки перфорированных труб, которые будут собирать газ и выводить его на поверхность.

5. Ферментация

На протяжении многих веков люди использовали дрожжи и другие микроорганизмы для ферментации сахара различных растений в этиловый спирт. Производство топлива из биомассы путем ферментации - это лишь продолжение этого процесса. При этом есть возможность использования более широкого спектра растительного материала от сахарного тростника до древесного волокна. Например, отходы от помола пшеницы на мельницах в Новом Южном Уэльсе применяются для производства этанола путем ферментации. Этанол затем смешивается с дизельным топливом для производства топлива, используемого для заправки грузовых автомобилей и автобусов в Австралии.

Технический прогресс неизбежно улучшит этот метод. Например, ученые в Австралии и США заменили дрожжи генетически сконструированными бактериями в процессе ферментации. Эффективность процесса значительно повысилась. Теперь можно перерабатывать отходы бумаги и другие формы древесного волокна в этанол.

Биомасса превращается в топливо, такое как этанол, метанол, биодизель и добавки для риформинга бензинов. Биотопливо используются в чистом виде или в смеси с бензином.

Этанол - наиболее широко используемое биотопливо. Производится путем ферментации биомассы в процессе, подобном пивоварению.

Сегодня большая часть этанола производится из кукурузы. Он смешивается с бензином для увеличения эффективности транспортного средства и уменьшения загрязнения воздуха.

Метанол из биомассы производится путем газификации. Биомасса превращается в синтез-газ, который перерабатывается в метанол. Большая часть метанола производится из природного газа и используется в качестве растворителя, антифриза или для синтеза других химических веществ. Около 38 процентов используется для транспортировки в виде смеси или в риформинге бензинов.

Биодизельное топливо состоит из масел и жиров, которые содержатся в микроводорослях и других растениях. Им заменяют дизельное топливо или разбавляют его.

• < Назад
• Вперёд >

В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на всей планете. Исследования космоса позволили рассматривать Землю извне и изучать окружающие ее сферы. Увеличение народонаселения на Земле требует изыскания новых пищевых ресурсов. Вредные отходы промышленности и транспорта ставят проблему охраны не только живых организмов, но и чистоты вод и воздуха.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Биосфера и свойства биомассы планеты Земля

В век научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах в целом, происходящих на всей планете. Исследования космоса позволили рассматривать Землю извне и изучать окружающие ее сферы. Увеличение народонаселения на Земле требует изыскания новых пищевых ресурсов. Вредные отходы промышленности и транспорта ставят проблему охраны не только живых организмов, но и чистоты вод и воздуха. В связи с этим необходимо понять роль живой природы в круговороте веществ на Земле. Главное – определить значимость живой природы как носителя и трансформатора энергии. Необходимо знать структуру жизни на всей планете и основы ее устойчивости. При изучении в предшествующих классах растений, животных, человека и общей биологии вы познакомились с живой природой на всех уровнях ее организации: молекулярном, клеточном, организменном, популяционно-видовом и биогеоценотическом. При изучении данной темы вы познакомитесь с высшим уровнем организации жизни на нашей планете – биосферным.

Биосфера и ее границы. Изучение многообразия форм органического мира и закономерностей его развития не будет полным без понимания места и роли живых организмов в целом на всей планете Земля. Совокупность всех живых организмов составляет живое вещество, или биомассу, планеты.

Жизнедеятельность организмов изменила и изменяет земную кору и атмосферу. Растительная часть биомассы за миллиарды лет очистила атмосферу от углекислого газа, обогатила ее кислородом и привела к отложению углерода в известняках, каменных углях, нефти. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка, или сфера, населенная живыми организмами. Эта земная оболочка, или область жизни, названа биосферой (греч. «биос» – жизнь, «сфера» – шар). Впервые это название было дано Ж. Б. Ламарком. Учение о биосфере создано академиком В. И. Вернадским (1863 – 1945), основоположником новой науки – биогеохимии, связывающей химию Земли с химией жизни и установившей роль живого вещества в преобразовании земной поверхности.

На планете Земля различают несколько геосфер .

Рис. 42. Литосфера (греч. «литос» – камень) – внешняя твердая оболочка земного шара. Она состоит из двух слоев: верхнего – осадочных пород с гранитом и нижнего – базальта. Слои расположены неравномерно. Гранит местами выходит на поверхность.

Все океаны, моря (совокупность их называют Мировым океаном), составляющие 70,8% поверхности Земли, а также озера, реки образуют гидросферу . Глубина океана в среднем 3,8 км, в отдельных впадинах – до 11,034 км.

Над поверхностью литосферы и гидросферы вверх до 100 км простирается атмосфера . Нижний слой атмосферы в среднем высотой 15 км называют тропосферой (греч. «тропэ» – перемена). Тропосфера включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности Земли. Над тропосферой различают стратосферу (лат. «стратум» – слой) высотой до 100 км. У границы ее возникают северные сияния. В стратосфере на высоте 15–35 км свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращается в озон (O 2 → O 3 ), который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи Солнца.

Среди всех сфер Земли особое место занимает биосфера - геологическая оболочка, населенная живыми организмами . Она охватывает поверхность Земли, верхнюю часть литосферы всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы тропосферу . В биосфере проявляется деятельность живого вещества: растений, животных, микроорганизмов и человечества. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов . Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей; нижний высокой температурой земных недр (свыше 100° С). Крайних пределов ее достигают только низшие организмы – бактерии. Споры бактерий и грибов залетают на высоту 20 км, а анаэробных бактерий находят в земной коре на глубине свыше 3 км, в водах месторождений нефти.

Рис. 43.
Наибольшая концентрация живой массы в биосфере наблюдается у поверхности суши и океана, у границ соприкосновения литосферы и атмосферы, гидросферы и атмосферы, гидросферы и литосферы. В этих местах наиболее благоприятные условия жизни – температура, влажность, содержание кислорода и химических элементов, важных для питания организмов. К верхним слоям атмосферы, в глубь океана и недр литосферы концентрация жизни уменьшается. Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью зеленых растений.

Масса живого вещества по сравнению с массой земной коры незначительна. И тем не менее многие изменения земной коры обусловлены жизнедеятельностью биомассы.

Свойства живого вещества. Организмы, составляющие биомассу, обладают громадной способностью воспроизводства – размножения и распространения по планете.

Энергия биомассы особенно проявляется в размножении. «Живое вещество – совокупность организмов, – подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его продвижение или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов ... Уже К. Линней ясно видел, что это свойство должно считаться основным для живого, той непроходимой гранью, которая отделяет его от мертвой косной материи» (Вернадский).

В некоторые годы размножение отдельных видов вспыхивает с такой силой, что влечет нашествие громадных масс насекомых (саранча), грызунов и других животных. Захват пространства разными организмами обусловлен интенсивностью их размножения.

Мелкие организмы, особенно в водной среде, размножаются и распространяются очень быстро. Численность некоторых бактерий удваивается каждые 22 мин. Быстро размножаются членистоногие, составляющие главную массу животных суши.

Размножение и быстрое распространение организмов, особенно одноклеточных, определило «всюдность» (Вернадский) жизни – до крайних пределов биосферы.

Плотность жизни зависит от размеров организмов и необходимой для их жизни площади. Для ряски и водоросли хлореллы она определяется площадью, равной их размерам. Слону требуется площадь 30 км 2 , пчеле для сбора меда – 200 м 2 , травянистым растениям – в среднем 30 см 2 . Напор жизни создает борьбу организмов за площадь, пищу, воздух, воду.

Особенность каждого живого организма и всей биомассы состоит в постоянном обмене веществ с окружающей средой.

Различные элементы входят в живой организм, накапливаются в нем и выходят из него, частично при жизни и частично после смерти. Это главным образом кислород, водород, углерод, натрий, кальций, фосфор, калий, кремний и другие – более 20 элементов. В процессе питания происходит накопление энергии и передача ее другим организмам по цепи питания и путем размножения. Особенное значение в биосфере имеет выделение кислорода и поглощение углекислого газа при фотосинтезе зеленых растений.

В биосфере растительная масса во много раз превышает животную. В целом биомасса составляет лишь около 0,01% массы всей биосферы, но роль ее на планете грандиозна.

В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно 2,423 · 1012 т, при этом масса зеленых растений суши – 97%, животных и микроорганизмов – 3%.